分光計的調(diào)節(jié)與使用

分光計的調(diào)節(jié)與使用分光計是精確測定光線偏轉(zhuǎn)角的儀器，也稱測角儀，光學(xué)中的許多基本量如波長，折射率等都可以直接或間接地表現(xiàn)為光線的偏轉(zhuǎn)角，因而利用它可測量波長、折射率，此外還能精確的測量光學(xué)平面間的夾角。許多光學(xué)儀器(棱鏡光譜儀、儀柵光譜儀、分光光度計、單色儀等)的基本結(jié)構(gòu)也是以它為基礎(chǔ)的，所以分光計是光學(xué)實驗中的基本儀器之一。使用分光計時必須經(jīng)過一系列的精細(xì)的調(diào)整才能得到準(zhǔn)確的結(jié)果，它的調(diào)整技術(shù)是光學(xué)實驗中的基本技術(shù)之一，必須正確掌握。本實驗的目的就在于著重訓(xùn)練分光計的調(diào)整技術(shù)和技巧，并用它來測量三棱鏡的偏向角。［實驗原理］分光計的結(jié)構(gòu)分光計主要由底座、平行光管、望遠(yuǎn)鏡、載物臺和讀數(shù)圓盤五部分組成。外形如圖1所示。、、1420、21圖1分光計外形圖1一狹縫裝置；2一狹縫裝置鎖緊螺釘；3一平行光管；4一制動架(二)；5一載物臺；6一載物臺調(diào)節(jié)螺釘(3只)；7一載物臺鎖緊螺釘；8一望遠(yuǎn)鏡；9—目鏡鎖緊螺釘；10—阿貝式自準(zhǔn)直目鏡；11一目鏡調(diào)節(jié)手輪；12—望遠(yuǎn)鏡仰角調(diào)節(jié)螺釘；13一望遠(yuǎn)鏡水平調(diào)節(jié)螺釘；14一望遠(yuǎn)鏡微調(diào)螺釘；15一轉(zhuǎn)座與刻度盤止動螺釘；16一望遠(yuǎn)鏡止動螺釘；17一制動架(一)；18一底座；19一轉(zhuǎn)座；20一刻度盤；21—游標(biāo)盤；22一游標(biāo)盤微調(diào)螺釘；23一游標(biāo)盤止動螺釘；24一平行光管水平調(diào)節(jié)螺釘；25—平行光管仰角調(diào)節(jié)螺釘；26—狹縫寬度調(diào)節(jié)手輪底座一一中心有一豎軸，望遠(yuǎn)鏡和讀數(shù)圓盤可繞該軸轉(zhuǎn)動，該軸也稱為儀器的公共軸或主軸。平行光管一一是產(chǎn)生平行光的裝置，管的一端裝一會聚透鏡，另一端是帶有狹縫的圓筒，狹縫寬度可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)。望遠(yuǎn)鏡——觀測用，由目鏡系統(tǒng)和物鏡組成，為了調(diào)節(jié)和測量，物鏡和目鏡之間還裝有分劃板，它們分別置于內(nèi)管、外管和中管內(nèi)，三個管彼此可以相互移動，也可以用螺釘固定。參看圖2,在中管的分劃板下方緊貼一塊45°全反射小棱鏡，棱鏡與分劃板的粘貼部分涂成黑色，僅留一個綠色的小十字窗口。光線從小棱鏡的另一直角邊入射，從45°反射面反射到分劃板上，透光部分便形成一個在分劃板上的明亮的十字窗。載物臺——放平面鏡、棱鏡等光學(xué)元件用。臺面下三個螺釘可調(diào)節(jié)臺面的傾斜角度，平臺的高度可旋松螺釘(7)升降，調(diào)到合適位置再鎖緊螺釘。讀數(shù)圓盤一一是讀數(shù)裝置。由可繞儀器公共軸轉(zhuǎn)動的刻度盤和游標(biāo)盤組成。度盤上刻有720等分刻線，格值為30分。在游標(biāo)盤對稱方向設(shè)有兩個角游標(biāo)。這是因為讀數(shù)時，要讀出兩個游標(biāo)處的讀數(shù)值，然后取平均值，這樣可消除刻度盤和游標(biāo)盤的圓心與儀器主軸的軸心不重合所引起的偏心誤差。圖2望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)讀數(shù)方法與游標(biāo)卡尺相似，這里讀出的是角度。讀數(shù)時，以角游標(biāo)零線為準(zhǔn)，讀出刻度盤上的度值，再找游標(biāo)上與刻度盤上剛好重合的刻線為所求之分值。如果游標(biāo)零線落在半度刻線之外，則讀數(shù)應(yīng)加上30‘。分光計的調(diào)整原理和方法調(diào)整分光計，最后要達(dá)到下列要求：平行光管發(fā)出平行光；望遠(yuǎn)鏡對平行光聚焦(即接收平行光);望遠(yuǎn)鏡、平行光管的光軸垂直儀器公共軸。分光計調(diào)整的關(guān)鍵是調(diào)好望遠(yuǎn)鏡，其他的調(diào)整可以以望遠(yuǎn)鏡為標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)整望遠(yuǎn)鏡目鏡調(diào)焦這是為了使眼睛通過目鏡能清楚的看到圖3所示分劃板上的刻線。調(diào)焦方法是把目鏡調(diào)焦手輪輕輕旋出，或旋進，從目鏡中觀看，直到分劃板刻線清晰為止。調(diào)望遠(yuǎn)鏡對平行光聚焦圖3從目鏡中看到的分劃板 圖4載物臺上雙面鏡放置的俯視圖這是要將分劃板調(diào)到物鏡焦平面上，調(diào)整方法是：把目鏡照明，將雙面平面鏡放到載物臺上。為了便于調(diào)節(jié)，平面鏡與載物臺下三個調(diào)節(jié)螺釘?shù)南鄬ξ恢萌鐖D4。粗調(diào)望遠(yuǎn)鏡光軸與鏡面垂直一一用眼睛估測一下，把望遠(yuǎn)鏡調(diào)成水平，再調(diào)載物臺螺釘，使鏡面大致與望遠(yuǎn)鏡垂直。觀察與調(diào)節(jié)鏡面反射像一一固定望遠(yuǎn)鏡，雙手轉(zhuǎn)動游標(biāo)盤，于是載物臺跟著一起轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)到平面鏡正好對著望遠(yuǎn)鏡時，在目鏡中應(yīng)看到一個綠色亮十字隨著鏡面轉(zhuǎn)動而動，這就是鏡面反射像。如果像有些模糊，只要沿軸向移動目鏡筒，直到像清晰，再旋緊螺釘，則望遠(yuǎn)鏡已對平行光聚焦。調(diào)整望遠(yuǎn)鏡光軸垂直儀器主軸

當(dāng)鏡面與望遠(yuǎn)鏡光軸垂直時，它的反射像應(yīng)落在目鏡分劃板上與下方十字窗對稱的上十字線中心，見圖3平面鏡繞軸轉(zhuǎn)180。后，如果另一鏡面的反射像也落在此處，這表明鏡面平行儀器主軸。當(dāng)然，此時與鏡面垂直的望遠(yuǎn)鏡光軸也垂直儀器主軸。在調(diào)整過程中出現(xiàn)的某些現(xiàn)象是何原因？調(diào)整什么?應(yīng)如何調(diào)整，這是要分析清楚的。例如，是調(diào)載物臺?還是調(diào)望遠(yuǎn)鏡?調(diào)到什么程度?下面簡述之。載物臺傾角沒調(diào)好的表現(xiàn)及調(diào)整假設(shè)望遠(yuǎn)鏡光軸已垂直儀器主軸，但載物臺傾角沒調(diào)好，見圖5平面鏡A面反射光偏上，載物臺轉(zhuǎn)180。后，B面反射光偏下，在目鏡中看到的現(xiàn)象是A面反射像在B面反射像的上方。顯然，調(diào)整方法是把B面像(或A面像)向上(向下)調(diào)到兩像點距離的一半，使鏡面A和B的像落在分劃板上同一高度。望遠(yuǎn)鏡光軸沒調(diào)好的表現(xiàn)及調(diào)整假設(shè)載物臺已調(diào)好，但望遠(yuǎn)鏡光軸不垂直儀器主軸，見圖6在圖(a)中，無論平面鏡A面還是B面，反射光都偏上，反射像落在分劃板上十字線的上方。在圖(b)中，鏡面反射光都偏下，反射像像落在上十字線的下方。顯然，調(diào)整方法是只要調(diào)整望遠(yuǎn)鏡仰角調(diào)切螺釘(12)，把像調(diào)到上十字線上即可，見圖(c)。載物臺和望遠(yuǎn)鏡光軸都沒調(diào)好的表現(xiàn)和調(diào)整方法落在上十字線上)，表現(xiàn)是兩鏡面反射像一上一下。先調(diào)載物臺螺釘，使兩鏡面反射像像點等高(但像點沒再把像調(diào)到上十字線上，見圖6(c)。落在上十字線上)，圖6望遠(yuǎn)鏡光軸沒調(diào)好的表現(xiàn)及調(diào)整原理圖5載物臺傾角沒調(diào)好的圖6望遠(yuǎn)鏡光軸沒調(diào)好的表現(xiàn)及調(diào)整原理圖5載物臺傾角沒調(diào)好的轉(zhuǎn)180°后B鏡面像偏下鏡面A、B的反射像都偏下調(diào)整平行光管發(fā)出平行光并垂直儀器主軸將被照明的狹縫調(diào)到平行光管物鏡焦平面上，物鏡將出射平行光。調(diào)整方法是：取下平面鏡和目鏡照明光源，狹縫對準(zhǔn)前方水銀燈光源，使望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)向平行光管方向，在目鏡中觀察狹縫像，沿軸向移動狹縫筒，直到像清晰。這表明光管已發(fā)出平行光，為什么？再將狹縫轉(zhuǎn)向橫向，調(diào)螺釘(25)，將像調(diào)到中心橫線上，見圖7(a)。這表明平行光管光軸已與望遠(yuǎn)鏡光軸共線，所以也垂直儀器主軸。螺釘(25)不能再動。(為什么)？再將狹縫調(diào)成垂直，鎖緊螺釘，見圖7(b)圖8三棱鏡最小偏向角原理圖圖7圖8三棱鏡最小偏向角原理圖見圖8,一束單色光以i1見圖8,一束單色光以i1角入射到AB面上，經(jīng)棱鏡兩次折射后，從AC面射出來，出射角為八。入射光和出射光之間的夾角S稱為偏向角。當(dāng)棱鏡頂角A一定時，偏向角S的2大小隨入射角,大小隨入射角,;的變化而變化。而當(dāng)，?廣i;時，S為最小(證明略)。這時的偏向角稱為最小偏向角，記為s.。由圖8中可以看出，這時A卜7s A : ??'? mr^=i—i=i—1i1=;(S.+A)設(shè)棱鏡材料折射率為n，則sini1A=sini1A=nsini=nsin—故n=.Asin——2.Asin—2(2)min由此可知，要求得棱鏡材料的折射率n，必須測出其頂角A和最小偏向角Smin［實驗內(nèi)容］調(diào)整分光計(要求與調(diào)整方法見原理部分)使三棱鏡光學(xué)側(cè)面垂直望遠(yuǎn)鏡光軸調(diào)載物臺的上下臺面大致平行，將棱鏡放到平臺上，使棱鏡三邊與臺下三螺釘?shù)倪B線成三連互相垂直，見圖9。試分析這樣放置的好處。圖9三棱鏡在載物臺上的正確放法 圖10測棱鏡頂角A接通目鏡照明光源，遮住從平行光管來的光。轉(zhuǎn)動載物臺，在望遠(yuǎn)鏡中觀察從側(cè)面AC和AB反射回來的十字像，只調(diào)臺下三螺釘，使其反射像都落到上十字線處，見圖10調(diào)節(jié)時，切莫動螺釘(12)(為什么?)。注意：每個螺釘?shù)恼{(diào)節(jié)要輕微，要同時觀察它對各側(cè)面反射像的影響。調(diào)好后的棱鏡，其位置不能再動。測棱鏡頂角A對兩游標(biāo)作一適當(dāng)標(biāo)記，分別稱游標(biāo)1和游標(biāo)2,切記勿顛倒。旋緊度盤下螺釘(16)、(17)，望遠(yuǎn)鏡和刻度盤固定不動。轉(zhuǎn)動游標(biāo)盤，使棱鏡AC面正對望遠(yuǎn)鏡，見圖10記下游標(biāo)1的讀數(shù)氣和游標(biāo)2的讀數(shù)氣。再轉(zhuǎn)動游標(biāo)盤，再使AB面正對望遠(yuǎn)鏡，記下游標(biāo)1的讀數(shù)0和游標(biāo)2的讀數(shù)0。同一游標(biāo)兩次讀數(shù)之差10-廣I或I9-WI，即是載物臺1 2 112 2轉(zhuǎn)過的角度中，而中是A角的補角，A=兀一中測三棱鏡的最小偏向角平行光管狹縫對準(zhǔn)前方水銀燈光源。旋松望遠(yuǎn)鏡止動螺釘(16)和游標(biāo)盤止動螺釘(23)，把載物臺及望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)至如圖11中所示的位置(1)處，再左右微微轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡，找出棱鏡出射的各種顏色的水銀燈光譜線(各種波長的狹縫像)。輕輕轉(zhuǎn)動載物臺(改變?nèi)肷浣?；)，在望遠(yuǎn)鏡中將看到譜線跟著動。改變,、應(yīng)使譜線往5減小的方向移動(向頂角A方向移動)。望遠(yuǎn)鏡要跟蹤光譜線轉(zhuǎn)動，直到棱鏡繼續(xù)轉(zhuǎn)動，而譜線開始要反向移動(即偏向角反而變大)為止。這個反向移動的轉(zhuǎn)折位置，就是光線以最小偏向角射出的方向。固定載物臺(鎖緊23)，再使望遠(yuǎn)鏡微動，使其分劃板上的中心豎線對準(zhǔn)其中的那條綠譜線(546.1mm)。圖11測最小偏向角方法⑷測量記下此時兩游標(biāo)處的讀數(shù)9和0，取下三棱鏡(載物臺保持不動)，轉(zhuǎn)動望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)平1 2行光管，即圖11中(2)的位置，以確定入射光的方向，再記下兩游標(biāo)處的讀數(shù)0：和0；。此時綠譜線的最小偏向角H=-k-0'\+0—0」］將5mn值和測得的棱鏡A角平均值代入式(2)計算n。注意事項轉(zhuǎn)動載物臺，都是指轉(zhuǎn)動游標(biāo)